天水西门子S7-200代理商

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1、引言

　　　现代商业生产流通领域中，产品都离不开包装。如牛奶包装箱、水果包装箱等。而包装纸箱的生产中贴箱机每天处理几十万件应是一件量非常大的生产任务，如果不能实现自动化的生产，将会消耗大量的劳动力，而且效率和质量方面都很难提高。本设计就是将PLC应用于贴箱机系统中，从而使纸箱的生产实现自动化，其主要的任务是如何将纸板加工成型，打包成捆，如何进行生产过程中的自动控制，它是机电一体的纸箱机械产品。总之在保证工艺控制要求的情况下，大大提高了生产效率，有很广阔的市场前景。

2、系统控制特点及工艺

2.1 控制要求及特点

(1) 吸附进纸，确保了纸板吸进纸的位置准确；
(2) 折叠部上下传输带夹紧纸板送纸、左右吸附腔吸附送纸和运转与众不同的两侧竖带夹紧纸板送纸相互配合，确保折叠纸无歪斜；
(3) 左右下纠偏带各配增减速器，折叠时摩擦强制前后扯动纸板纠偏效果明显；
(4) 采用崭新的分垛逐出装置技术，比国外先进的相似装置的性能更为稳定可靠、运行更为迅速。遇不良纸板时卡纸混乱几率大幅度降低；
(5) 人机界面化，可显示生产速度，纸张数及相关的参数；
(6) 实现了A/M的控制方式。

2.2 工艺简介

　　　本系统以PLC为核心，由于该系统所带负载不大，可用一台达变频器带动一台3.7kW的异步电动机，该电机拖动主传递装置。当物料准备好后，离合器合闸即将送料，左右电机定纸箱的大小，用转速检测装置测速度，用光电传感器检测纸箱的位置信号，从而使伺服机工作。触摸屏可以实现友好的人机界面，可以在线的监视系统的运行情况，并进行相应的参数修改。纸板料从平放台进入机器到完成加工全实现了自动化，其工艺简图参见图1。

图1 系统工艺简图

　　　整个轨道是纸板成型的通道，轨道的形状决定纸板所加工纸箱的形状，以下对各个主要部件做简单的介绍。

(1) 进料装置

　　　由于纸板是流水线加工的，当工作台上放有足够多的加工纸板时，才能进入平稳连续，不重叠的工作状态，提高了生产率；

(2) 辊矫直机

　　　为了让纸板经过时垂直于传送带，并使其紧贴轨道以便纸板较为准确地成型；

(3) 测速检测

　　　用抗干扰能力强的接近开关作为传感器，并将其所产生的脉冲信号给PLC的高速计数器；

(4) 传送装置

　　　由电动机带动，它控制主生产线的速度，并由变频器进行控制；

(5) 纸板矫正

　　　主要由位置信号传感器和伺服系统组成，它主要是矫正成型的纸箱在轨道上的位置偏移，并为后序的纸箱打包做好准备；

(6) 记数传感器

检测轨道上的纸箱数，以便定量打捆；

(7) 纸箱叠放台

把传送的纸箱给叠放，定数量给推出；

(8) 打捆

将定数量的纸箱捆扎好。

3、控制系统设计

　　　纸板加工成型过程，有一套严格的工艺流程，为了满足系统的控制要求，采用PLC、变频器、伺服机、人机界面及高性能的传感器相结合，有效地解决了实际问题。同时也使系统的构成简单，功能强大，可靠性、可操作性和可视性都提高了。

3.1 系统的硬件构成

　　　该系统PLC采用OMRON公司的CPM1A-30CDT-A，30点I/O口，18点输入，12点输出，且还留有扩展的余地。该机型属于欧姆龙公司C系列的小型机，结构紧凑，功能性强，有很好的性能价格比。变频器(VFD-B-5.5kW)和伺服装置(AC servo HO系列)以及触摸屏(PWS717-STN)都采用了功能性比较强的台达系列产品。各硬件构成可见图2的硬件构成框图。

图2 系统硬件构成框图

3.2 变频器

　　　本系统采用了较为先进的台达变频器进行调速，它调速方便可靠，且调速的精度高。为了适应这种工艺负载，需要在调速时使电动机输出恒定的转矩，应用V/F控制特性的变频器在基频应用V/F控制特性的变频器在基频(台达A型机的参数是Pr04)以下调速。本系统应用两台台达变频器，它们是主从的关系，即从变频器的频率的给定必须得跟随主变频器的给定频率的变化，且保证从变频器的频率输出略高于主变频器的频率输出。

3.3 伺服纠偏装置

　　　由于纸板在轨道上传送时，难免会出现位置偏差，这就得需要有能够快速矫正其位置的器件，而伺服电动机正好具备这样的功能。它把输入的控制电压信号变为输出的角位移或角速度，加上控制电压，它便马上旋转，去掉控制电压又马上停转，转速高低与控制电压成正比。此装置具有转动惯量小，摩擦转矩小，运行平稳，噪声小等特点。这里主要利用伺服驱动器对伺服电机的运动特性进行设置，并采用了速度和位置相结合的PID调节，从而使纸箱的位置得到很好的纠正。

4、软件设计

4.1 人机界面的设置

　　　要很好的对系统进行控制和监视，就得利用触摸屏。在前先确定好相应设备和信号的端口地址，然后利用触摸屏的编程软件——ADP软件进行界面设置。下图触摸屏的主控画面，它具有友好的人机交流性。通过对触摸屏的操作，我们很容易的了解和监视系统的运行情况，并可以方便的改变系统的运行参数。其主菜单的设计如图3所示。

图3 主菜单界面图

4.2 PLC的程序设计

　　　为了能使系统各部分协调有序、安全可靠地运行就得配以比较优化的软件程序。整个软件程序采用模块化编程的方法，便于调试、修改及扩充，它主要包含三部分:通行协议部分、参数设置部分和自动运行控制部分，程序总的控制框图如图4所示。

图4 程序流程图

4.3 软件的可靠性设计

　　　软件的可靠性措施主要包括3个故障检测程序:

(1) 时间故障检测程序:将工序执行时间某一时间余量作为定时控制时间，超时则报警并停产；

(2) 信号比较检测程序:建立故障扫描时钟，使自动式在运行过程中能自动检测出各段单元，从而清除故障；

(3) 当纸板被卡主或重叠时，进行报警或减速停机。

圆网印花机是一种使用圆形镍网在白色坯布上可连续印制各色图案专用加工设备，工作原理类似套色印刷机，整机包括进布、主机、烘房、落布这四大部分，主机部分是由主电机经蜗轮蜗杆减速机后带动一直径约450毫米（长由1.8米到3米不等）辊子,辊子带动厚两毫米多的聚氨脂导带转动,由直径较小的被动辊拉紧导带,使与辊子导带间无打滑,导带在两辊间形成一平面,坯布被贴紧导带经由色网到后一色网位而进入烘房将布烘干。只要网子与导带严格同步，且网子间任意时刻相位没有误差，则可以在高速运动中（高速为120米/分）严格保持0.1毫米的印花精度（这也是印花导带的高精度）。与数控技术在机床中应用一样，先进的圆网印花机用网头单电机驱动技术淘汰了落后的机械减速箱长轴传动的方式，克服了原机械传动间隙和磨损对印花的影响。与数控加工技术相比，他是一种高速高精度同步技术，升降速不能有明显的速度和位置误差。而不能象数控那样有时需降低进给速度来保证较小的误差。全伺服圆网印花机是指主电机与网头独立传动电机均采用伺服电机，而进、出布电机是采用变频电机拖动。

德高的圆网印花机电控系统由两大部分组成，基于底层开发的先进电子技术实现的高速高精度同步运动控制，使网头电机（步进或伺服驱动）jingque跟踪布速（通过高分辩率编码器测主辊角速度间接得到）。实现套色印花。变化的位置信息因快10微秒系统就可在线处理。因此可使一秒内车速由80米/分降为零都不会产生多大位置误差，这一点在国内是唯一能同国外先进系统相比的。另一大部分是由通用PLC实现的整机由进布到出布同步拖动控制及操作控制，以触摸屏完成速度模拟条显示，升降速的不同速度段快捷键一键操作，及故障滚动显示。界面如图1所示。

系统的逻辑动作较为简单，PLC程序没什么难度，此处只举一例，供大家参考，整机除可用触摸屏操作外，仍保留按扭操作，按扭中常用的为启/停按扭，为了减少外部连线并节约PLC的输入口，我们在如停车状态时需要操作的圆网自转开/停按扭，采用了单按钮操作，即次按下为开，在按一次为停。现以FX系列PLC为例说明实现方法，此处是采用计数器法。假设输入按钮接在X001，输出为Y001，梯图为图2示：

其中PLSY发脉冲指令在FX系列PLC中只能从Y0输出，此一点因PLC不同而不同。

系统的同步控制我们采用了两种方式；种方式较为简单，技术要求低用模拟电压为给定控制主伺服电机和进落布烘房变频器的给定（原理如图3示），为使线速度一致采用数字式同步控制器实现同一主给定下各路不同比例输出（价格比PLC专用D/A模块便宜，输出模拟电压为12位D/A，精度也足够，除主电机外，进落布取调节布张力的松紧架信号（实质为±5V供电的电位器），因此同步器的数学表达式可描述为：Ui=Um＊Ki+Uf＊Kfi（输出高电压为10V，其中：Ui为第i路输出，Um为主令电压，Ki为第i路输出比例系数，Uf为该路反馈电压，Kfi为反馈系数）,实际调试中为使布受的张力均匀，特别是升降速时同步效果好，除松紧架反馈系数合适外，还要注意变频器的升降速时间参数设不可太长，以免反馈信号作用后反应时间太慢造成同步不好。我们选用的同步器带外部升、降数字信号输入，即UP与DOWN与其相应的地接通可使输出电压升高和降低，因给定为内部数字给定，使输出模拟电压稳定性很好，再采用伺服电机驱动从而保证了主传动的稳定。这里值得一提的是我们采用了主伺服电机驱动器上编码器输出差分信号，来测量主电机的速度，实现自动按设定速度升降速，自动停车，自动判断导布速等功能，所有参数可通过触摸屏进行参数的修改，如升降速时间，导布速调节。伺服驱动编码器接口到PLC的接口电路如图4示，不仅实现了隔离，且完成信号类型和电平转换。
FX2N系列有高速脉冲输入口，用SPD指令可以完成对速度的测量，要注意的是用于速度控制要留有误差带，不然会引起速度的振荡。

第二种方案是采用总线通过通讯控制完成坯布输送的同步，从而省去同步控制器。完全的数字化控制，不仅减少了连线，系统的可靠性和抗干能力都大大提高。而且伺服或变频器的故障原因可直接在触摸屏显示出来。系统框图如图5示。其中松紧架的反馈信号则送入变频器，实现对主令速度的微调整，反馈系数可直接在变频器设置或在触摸屏设置，用485总线送入变频器。不管采用什么品牌的PLC为得到良好的实时特性和同步的一致性，避免因通讯的延迟在升降速过程对电机同步的影响，我们采用中断控制的方法，效果是很好的。欧母龙的通讯有专用指令很简单，在此不再赘述。

后再谈谈系统中的另外一个特色，先推出独立传动系统时采用的是单片机作为主机，已经有了彩色触摸屏了，整机拖动部分采用PLC后，刚开始的改造我们采用了增加一个PLC专用的触摸屏。随后为了使整机能够合二为一，我们选用了两种方案。主要区别是用谁来做主机。是单片机还是PLC，不管用什么方法，都要完成单片机同PLC的通讯。如用单片机作为主机，易于大量参数的存储，这样PLC就成了下位机了，在主机上增加有关PLC操作及参数设置的画面，信息参数经单片机通讯至PLC就可以了。 当然这一技术的关键是要清楚所使用PLC的通讯协议，欧母龙的通讯协议是开放的。直接可从编程手册中获得。以三菱FX2N系列PLC为例：表1为PLC专用专用协议通信的指令。
表1
指令 注 释
BR 以1点为单位，读出位元件的状态
WR 以16点为单位，读出位元件的状态；或以1为单位，读出字元件的值
BW 以1点为单位，写入位元件的状态
WW 以16点为单位，写入位元件的状态；或以1为单位，写入值到字元件
BT 以1点为单位，置位/复位（SET/RESET）位元件
WT 以16点为单位，置位/复位（SET/RESET）位元件，或写入值到字元件
RR 控制PLC运行（RUN）
RS 控制PLC停止（STOP）
PC 读出PLC设备类型
TT 连接测试
注：位元件包括X、Y、M、S以及T、C的线圈等；字元件包括D、T、C、KnX、KnY、KnM等

FX系列PLC通讯协议规定PLC无论在运行还是在停止时，都可以接收上位机的4种监控命令，每种命令用唯一的命令码标识，如表2示
表2
监 控 命 令 命令码 目 标 单 元 说 明
读取单元 30H X、Y、M、S、T、C、D 成组读取目标单元的状态
写入单元 31H X、Y、M、S、T、C、D 成组写入数据到目标单元
单元置位 37H X、Y、M、S、T、C 置位目标单元的映像寄存器
单元复位 38H X、Y、M、S、T、C 复位目标单元的映像寄存器

PLC与单片机之间是以报文方式进行数据传输的，数据传输单位为帧。表3给出了通讯中所用到的控制字符。

表3
控 制 字 符 ASCII 说 明
ENQ 02H 询问：主机向PLC发送的请求通信信号
ACK 06H 确认：PLC对主机返回的肯定应答信号
NAK 12H 否认：PLC对主机返回的否定应答信号
STX 02H 文始：表示报文正文开始
ETX 03H 文终：表示报文正文结束

命令帧采用和校验（Sum Check）方式检错，格式如图示

起始标志 命令码 数据区 结束标志 和校验值
STX CMD DATA ETX SUM
UPPER SUM
LOWER
1个字符
1个字符
多个字符
1个字符
1个字符
1个字符
通讯时，单片机先向PLC发送询问（ENQ）信号，请求通讯并等PLC响应。PLC接收到该字符后，若通讯正常，PLC应答信号为确认（ACK），否为（NCK）。单片机收到确认信号便可发送相应命令并等PLC应答，如此可以完成单片机对PLC的控制。
我们用PLC和自主开发的运动控制系统组成的全伺服圆网电控系统，在国内使用多套，用户反映良好，把先进电子技术应用到传统印染装备行业，提高了装备水平，也使我国色布出口提高了竞争力，且与国外系统比，价格低廉，非常适合国情。

　近年台达推出多款PLC及通讯模块，其中28SV型晶体管输出PLC以其强大的脉冲采集、脉冲输出功能，以及对丰富的位置控制指令的支持受到极大的关注，表现出了广阔的应用前景。
　　28SV11T主机在钻孔中心机上的应用，使用到内建的四路200K高速脉冲输出控制3台V系列变频器（通过扩展PG卡）的速度以及一台三菱伺服的定位，使其在不同的工序中方便的切换不同的加工速度，保证在不同的加工工序中，如钻孔、镗孔中的加工精度。

2 钻孔加工中心工艺流程
自动加工流程
　　自动加工流程又分为三个工艺流程，分别为中心钻加工流程、深孔钻加工流程以及铰刀&镗刀加工流程，具体如下：
（1）中心钻加工流程
启动信号
Y20=OUT Y30=OUT Y40=OUT
X63=1 X64=0 中心钻
伺服往工件方向快速移动，到设定工件坐标零点(中心钻)
Y0 Y1
伺服进给速度,深度 加工(用户可调整)
主轴转速中心钻 Y60=1
切削液 Y55=1
进给动作完成，退到工件坐标零点，①②③油压回转盘执行回转动作流程
回转动作完成 伺服进给速度,深度 加工
进给动作完成，退到工件坐标零点，①②③油压回转盘执行回转动作流程
回转动作完成 伺服进给速度,深度 加工
执行自动模式下换刀流程

（2）深孔钻加工流程
启动信号
Y20=OUT Y30=OUT Y40=OUT
X63=0 X64=1 深孔钻
伺服往工件方向快速移动，到设定工件坐标零点(深孔钻) Y0 Y1
伺服进给速度,深度 啄式钻孔加工
(用户可调整)
主轴转速深孔钻 Y61=1
切削液 Y55=1
钻把手孔动力头动作
进给动作完成，退到工件坐标零点，①②③油压回转盘执行回转动作流程
回转动作完成 伺服进给速度,深度 啄式钻孔加工
钻把手孔动力头动作
进给动作完成，退到工件坐标零点，①②③油压回转盘执行回转动作流程
回转动作完成 伺服进给速度,深度 啄式钻孔加工
钻把手孔动力头动作
执行自动模式下换刀流程


(3)铰刀&镗刀加工流程
启动信号
Y20=OUT Y30=OUT Y40=OUT
X63=1 X64=1 铰刀&镗刀
伺服往工件方向快速移动，到设定工件坐标零点(铰刀&镗刀)
伺服进给速度,深度 加工
(用户可调整)
主轴转速铰刀&镗刀 Y62=1
切削液 Y55=1
进给动作完成，退到工件坐标零点，①②③油压回转盘执行回转动作流程
回转动作完成 伺服进给速度,深度 加工
进给动作完成，退到工件坐标零点，①②③油压回转盘执行回转动作流程
回转动作完成 伺服进给速度,深度 加工
执行自动模式下换刀流程
加工完成


2.2 换刀流程
换刀流程分为自动模式下换刀流程以及手动模式下换刀流程两种。
(1)自动模式下换刀流程
伺服执行回原点动作 （如在原点则跳过）X15 原点回复标志
中途换刀缓冲点X16 ON 则停止回原点动作 转为慢速下至换刀点X17 ON
中途没有检测到换刀缓冲点则回原点后 转快速下，检测到
换刀缓冲点X16 ON 转为慢速下至换刀点X17 ON
变频器执行主轴定角度动作 定角度标志X51
刀库前进 X57 ON
主轴上方打刀缸松刀动作 X20 X30 X40 ON
伺服执行回原点动作 X15
刀库旋转一工位 执行完成 X52 X55 ON
刀库旋转完成，确认定角度正常，打刀缸松刀状态正常
X20 X30 X40 仍为ON
伺服快速下，检测到换刀缓冲点 X16 ON 转为慢速下至换刀点 X17 ON
打刀缸返回 X50 ON
刀库回退 X57 ON


(2)手动模式下换刀流程
原点：刀库前进、刀库后退、刀库旋转、刀库定位
硬按键X21 X31 X41单个打刀缸松刀动作、主轴定角度 X15 回原点标志
换刀点及主轴定角度完成：刀库前进、刀库后退，X17 ON 定角度标志
换刀点及主轴定角度完成及刀库前进到位：交替式软按键（人机界面上）所有打刀缸松刀动作（交替式），X17 ON 定角度标志 X57 ON
换刀点及主轴定角度完成及刀库前进到位及松刀状态正常：伺服可执行慢速上下
任意点（刀库后退原位）：硬按键单个打刀缸松刀动作
伺服可执行给定速度上下
双手操作可执行 自动模式下换刀流程

3 变频调速及定位控制
变频调速
　　使用台达V系列变频器，选配PG05编码器卡，通过PLC主机发送脉冲的频率来控制变频器的转速。设置参数时需要设置变频器频率指令来源为脉冲输入。这里，需要将变频器【00-20】参数设为4或者6，本应用中，变频器转向不需要改变，因而设定为4。其他必要的参数，不是本文档说明的重点，在这里不作详述。
3.2定位功能
　　在换刀流程中，换刀前需要先将刀具转到一个合适的角度，以便于刀库准确的抓取。换刀流程的位置参数来源于编码器PG，编码器定位控制原理如图1所示，主要参数如表1所示。

图1 编码器定位控制原理

表1 编码器PG参数

4 结束语
　　随着台达28SV型PLC各种功能扩展模块的推出，其在网络连接、现场总线方面的应用都有了更好的表现，连同定位功能，所有这些优异性能都预示其广阔的应用前景。